Otimização da produção de hidrogênio e ácidos orgânicos em reator em batelada a partir de consórcio de bactérias autóctones e alóctones do bagaço de cana-de-açúcar

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Camila Abreu Borges da Silva Rabelo
• Orientador(a): Maria Bernadete Amâncio Varesche Silva
• Banca de defesa: Claudia Etchebehere Arenas, Simone Damasceno Gomes, Rogers Ribeiro, Marcelo Zaiat
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade de São Paulo
• Programa de Pós-Graduação: Engenharia (Hidráulica e Saneamento)
• País: BR
• Link de acesso: https://doi.org/10.11606/T.18.2018.tde-16042018-163435

Nessa pesquisa avaliou-se a produção fermentativa de hidrogênio e ácidos orgânicos a partir do bagaço de cana-de-açúcar (BCA) usado como substrato em reatores em batelada. Três condições de pré-tratamento (hidrotérmico, autoclave e hidrotérmico mais autoclave) do BCA e condição in natura foram avaliadas a fim de favorecer a produção de hidrogênio. Verificou-se produção molar de hidrogênio de 3,79 mmol/L, 3,47 mmol/L, 1,67 mmol/L e 1,01 mmol/L para BCA autoclavado, BCA in natura, BCA pré-tratado em sistema hidrotérmico e BCA pré-tratado em sistema hidrotérmico seguido de autoclave, respectivamente. A partir desses valores, optou-se por usar o BCA autoclavado como substrato para otimização da produção de hidrogênio e ácidos orgânicos a partir de metodologias de delineamento do composto central e superfície de resposta. Foram monitorados 10 reatores em batelada (R1 a R10), em triplicatas, com diferentes concentrações de substrato (0,8 a 9,2 g/L) e pH (de 4,6 a 7,4). A maior produção de hidrogênio (24,1 mmol/L) e 6,4 g/L de ácidos orgânicos foram obtidos em R4 (8,0 g BCA/L e pH 7,0). Os açúcares glicose, arabinose, xilose, manose e galactose foram observados ao longo do tempo de operação em todos os reatores, sendo arabinose observado em maior concentração nas condições dos reatores R3 (8,0 g BCA/L e pH 5,0) e R8 (5,0 g BCA/L e pH 7,4), respectivamente, 1.415,3 e 1.372,5 mg/L. A produção de hidrogênio foi concomitante à formação de ácidos orgânicos, principalmente butírico (de 14,6 a 33,8% em R1 e R6, respectivamente) e succínico (de 19,5 a 26,4% em R3 e R9, respectivamente). Os dois fatores analisados, concentração de substrato e pH, exerceram efeitos significativos na produção de hidrogênio, ácido butírico e succínico. A partir dos resultados obtidos com o planejamento fatorial, foi possível verificar que o valor máximo de produção de hidrogênio estimado pelo modelo foi de 23,10 mmol/L, para 7,0 g BCA/L e pH 7,2. O valor obtido no experimento de otimização (Rotm) foi de 19,84 mmol/L, com grau de precisão do modelo de 85,9% para produção de hidrogênio a partir de BCA autoclavado. Sequenciamento massivo via plataforma Illumina (Miseq) foi realizado para a identificação de bactérias do reator do ponto central, (R9, 5,0 g BCA/L e pH 6,0), do reator otimizado (Rotm, 7,0 g BCA/L e pH 7,2), de amostras do BCA autoclavado e inóculo. No inóculo foram identificadas principalmente bactérias semelhantes a Clostridium bifermentans (62,69% de abundância relativa), Bacillus coagulans (31,67%) e Enterobacter aerogenes (2,72%). No BCA foram identificadas bactérias semelhantes a C. bifermentans (31,91%), C. cellobioparum (32,29%), C. cellulolyticum (5,69%), C. sartagoforme (14,63%) e Paenibacillus spp. (11,67%). Estas bactérias não foram favorecidas sob as condições impostas em R9 (5,0 g BCA/L e pH 6,0) e Rotm (7,0 g BCA/L e pH 7,2), uma vez que a abundância relativa das bactérias nas amostras dos reatores foram completamente diferentes. Em R9, bactérias semelhantes a Lactobacillus paracasei e Escherichia hermannii foram as principais identificas com 37,50 e 34,32% de abundância relativa, respectivamente. Em Rotm, as principais bactérias identificadas foram semelhantes a Bacteroides sp. e Enterobacter aerogenes, com 37,35 e 27,72% de abundância relativa, respectivamente. Assim, as populações bacterianas, bem como a produção de metabólitos, foram alteradas em função das condições impostas; ou seja, concentração de BCA, pH em reatores em batelada com BCA autoclavado como substrato.